HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
BÀI GIẢNG
KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG
Fundamental of Optical Fiber Communications
Giảng viên:
Bộ
ộ môn:
Email:
Th.S Đỗ Văn Việt Em – Th.S Phạm Quốc Hợp
Thông
g Tin Q
Quang
g – Khoa Viễn thông
g2
[email protected],
[email protected]
KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG
CHƯƠNG 2
SỢI QUANG
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 2
NỘI DUNG CHƯƠNG 2
• Cấu trúc và phân loại sợi quang
• Mô tả quang hình quá trình truyền ánh sáng
trong sợi quang
• Truyền sóng ánh sáng trong sợi quang
• Suy hao
• Tán sắc trong sợi quang
• Hiệu ứng phi tuyến
• Một số loại sợi quang mới
• Cáp sợi quang
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 3
Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang
• Cấu tạo sợi quang
Sợi quang cơ bản gồm có 2 lớp:
• Lõi (core): hình trụ, bán kính a, chiết suất n1
• Lớp bọc (cladding): hình trụ, bao quanh lõi, bán kính b (b>a),
chiết suất n2 (n1> n2)
Vật liệu chế tạo: chất điên môi (thuỷ tinh, plastic…)
Lõi
Lớp bọc
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 4
Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang
• Cấu tạo sợi quang (tt)
Ngoài 2 lớp cơ bản, sợi quang còn được bảo vệ bởi hai
lớ bên
lớp
bê ngoài:
ài lớp
lớ phủ
hủ ((primary
i
coating)
i ) và
à lớp
lớ vỏ
ỏ
(secondary coating)
Lôùp voû
900 um
Lôùp p
phuû
250 um
Lôùp boïïc
125 um
Loõi
10/50 um
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 5
Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang
• Ánh sáng lan truyền trong sợi quang
Ánh sáng truyền trong lõi sợi quang bằng cách phản xạ
toàn
à phần
hầ qua llạii mặt
ặ tiếp
iế giáp
iá giữa
iữ lõi và
à lớp
lớ b
bọc
» Ánh sáng có thể truyền được trong sợi quang bị uốn cong với
một độ cong giới hạn (thỏa điều kiện phản xạ toàn phần)
θ > θc
b
a
0
n2
n
n1
θ
θ > θ’> θc
θ
θ’
a
b
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 6
Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang
• Khẩu độ số
Điều kiện để một tia sáng chiếu tới đầu sợi quang với
góc
ó tới
ới φ có
ó thể
hể truyền
ề được
đ
trong lõi sợii quang??
φ3 < φ1=φc < φ2
φ1
φ3
φ2
3
θ2
α = 90o - θc
θ1
θ3 > θ1=θc > θ2
θ3
Lõi (n1)
Lớp bọc (n2)
1
2
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 7
Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang
• Khẩu độ số (tt)
Kết luận: Sự phản xạ toàn phần chỉ xảy ra đối với những
tia
i sáng
á có
ó góc
ó tới
ới ở đầu
đầ sợii quang nhỏ
hỏ hơn
h góc
ó tới
ới hạn
h
φmax.
Định nghĩa khẩu độ số: NA = sin θ max
Ý nghĩa:
g
NA biểu diễn khả năng
g ghép
g p ánh sáng
g vào
trong sợi quang.
2
2
Công thức xác định NA: NA = n1 − n2 = n1 2Δ
n12 − n22
độ chênh lệch chiết suất tương đối giữa lõi và lớp bọc
Δ=
2
2n1
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 8
Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang
• Khẩu độ số (tt)
Góc nhận ánh sáng bằng 2θ max
θmax
2×θmax
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 9
Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang
• Khẩu độ số (tt)
Vùng nhận ánh sáng có dạng hình nón
Vùng nhận
ánh sáng
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 10
Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang
• Khẩu độ số (tt)
Ví dụ 1
Một sợi quang SI có chiết suất lõi n1 = 1,50 và chiết suất
lớp bọc n2 = 1,485. Hãy xác định khẩu độ số và góc
nhận ánh sáng của sợi quang này.
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 11
Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang
• Khẩu độ số (tt)
Giải ví dụ 1
2
2
Áp dụng công thức tính khẩu độ số: NA = n1 − n2
Thế giá trị các đại lượng vào ta được kết quả:
NA = 1,52 − 1,46 2 = 0,21
A = sin
i θ max
Theo biểu
ể thức định nghĩa: NA
Suy ra: θ max = 12 0
www.ptit.edu.vn
Hay góc nhận ánh sáng: 2θ max = 24
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 12
0
Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang
• Phân loại sợi quang
Phân loại theo vật liệu chế tạo:
• Sợi thủy tinh (All-glass fiber): lõi và lớp bọc bằng thuỷ tinh
• Sợi plastic (All-plastic fiber): lõi và lớp bọc đều bằng plastic
• Sợi
ợ PCS ((Plastic-Cladded Silica):
) lõi bằng
g thủyy tinh,, lớp
p bọc
ọ
làm bằng nhựa
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 13
Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang
• Phân loại sợi quang (tt)
Phân loại theo dạng chiết suất của lõi:
•
•
•
•
•
Sợi
Sợi
Sợi
ợ
Sợi
Sợi
quang
quang
q
quang
g
quang
quang
www.ptit.edu.vn
có chiết suất nhảy bậc SI
có chiết suất giảm dần GI
giảm
g
chiết suất lớp
p bọc
ọ
dịch tán sắc DSF (Dispersion-Shifted Fiber)
san bằng tán sắc DFF (Dispersion-Flatened Fiber)
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 14
Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang
• Phân loại sợi quang (tt)
Sợi chiết suất bậc SI (Step-Index)
• Dạng phân
â bố
ố chiết
ế suất:
ấ
r≤a
⎧ n1 ,
n( r ) = ⎨
⎩n2 , a ≤ r ≤ b
n1
n2
b
a 0
a
b
r
• Các tia sáng truyền theo đường thẳng
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 15
Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang
• Phân loại sợi quang (tt)
Sợi GI: sợi quang có chiết suất giảm dần
• Dạng phân
â bố
ố chiết
ế suất:
ấ parabol
2
⎧ ⎡
r
⎛ ⎞ ⎤
⎪n 1 − Δ ⎜ ⎟ ⎥ , r ≤ a
n(r ) = ⎨ 1 ⎢⎢
⎝ a ⎠ ⎥⎦
⎣
⎪n ,
a≤r ≤b
⎩ 2
• Các tia sáng truyền theo đường cong Æ Tại sao?
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 16
Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang
• Phân loại sợi quang (tt)
n(r)
n(r)
n(r)
n1
n2
r
r
a2 a1 0
a1 a2
r
r
a3
a2
a1
0
a1 a2
r
r
a3
a4
Giaûm chiet
Giam
chieát suat
suaát lôp
lôùp boï
bocc
www.ptit.edu.vn
Sôii dòch tan
Sôï
taùn sac
saéc DSF
a1
a3
a2
a3
0 a1
a2
a4
Sôii san bang
Sôï
baèng tan
taùn sac
saéc DFF
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 17
Cấu Trúc Và Phân Loại Sợi Quang
• Phân loại sợi quang (tt)
Phân loại theo số mode truyền trong sợi quang
• Sợi đa mode:
– Sợi SI, GI (G.651):
– (50/125μm), (62.5/125μm), (100/140μm)
• Sợi đơn mode SMF (Single-Mode Fiber)
– Sợi đơn mode tiêu chuẩn SMF (G.652):
» ((9/125 μ
μm))
» Hệ số suy hao: 0.38 dB/km (λ=1310nm) và 0.2 dB/km (λ=
1550nm)
» Hệ số tán sắc: bằng 0 tại λ=1310nm và 18ps/nm.km tại λ=
1550nm
– Sợi DSF (G.653)
• Sợi dịch tán sắc khác zero NZ-DSF (G.655)
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 18
Truyền Sóng Ánh Sáng Trong Sợi Quang
• Cơ sở toán học
Toán tử curl
rot A = curl A =
ix
iy
iz
∂ ∂ ∂
∂x ∂y ∂z
Ax Ay Az
Toán tử del
∂
∂
∂
∇ = ix . + i y . + iz .
∂x
∂y
∂z
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 19
Truyền Sóng Ánh Sáng Trong Sợi Quang
• Cơ sở toán học (tt)
Tích hữu hướng của hai vector A và B
ix
iy
iz
A × B = Ax Ay Az
Toán tử div:
Suy ra:
www.ptit.edu.vn
r
div A = ∇. A
Bx B y Bz
rot A = curl A = ∇ × A
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 20